Металлы и сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Металлы и сплавы



Введение

Большая часть (3/4) всех химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева - металлы. По своим свойствам они отличаются от неметаллов: сочетают высокую прочность и твердость с хорошей пластичностью, обладают литейными свойствами и возможностью механической обработки, хорошо проводят тепло и электричество, но плохо пропускают рентгеновские лучи и отражают световые волны. Эти свойства обуславливаются особенностями внутриатомного строения металлов.



1. Кристаллическое строение металлов

У металлов электроны на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами. Так как эти электроны подвижны аналогично частицам газа, то используется термин «электронный газ».

Металлургический тип связи характерен тем, что нет непосредственного соединения атомов друг с другом, нет между ними прямой связи. Атомы в металлах размещаются закономерно, образуя кристаллическую решетку.

Кристаллическая решетка - это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения. В итоге образуются фигуры правильной геометрической формы - кристаллическая решетка (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

Расстояния (а,b,с) между атомами, т.е. параметры кристаллической решетки, находятся в пределах 2… 6A (1A=10^-8 см). Каждый атом принадлежит 8 кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства. Тип кристаллической решетки (рис. 2) зависит от металла, температуры и давления. Это используется при термообработке металлов для упрочнения их.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реальные металлы состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют правильного расположения, здесь скапливаются примеси, дефекты и включения. Экспериментально установлено, что внутреннее кристаллическое строение зерен не является правильным. В решетках имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Имеются следующие несовершенства в кристаллических решетках:

Точечные (рис. 3):

а) Наличие вакансий, т. е. мест в решетке, не занятых атомами. Это происходит из-за смещения атомов от равновесного состояния. Число вакансий увеличивается с ростом температуры.

Размещено на http://www.allbest.ru/

б) Дислоцированные атомы, т. е. атомы вышедшие из узла решетки и занявшие место в междоузлии.

в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например, в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными - атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.

Поверхностные несовершенства, имеющие небольшую толщину при значительных размерах в двух других направлениях.

3. Линейные несовершенства (цепочки вакансий, дислокаций и т. д.). Линейные дефекты малы в двух направлениях и значительно большего размера в третьем.

Количество дефектов в металле оказывает существенное влияние на его прочность. На первом участке кривой (рис. 4) при минимуме дислокаций меньше возможностей для сдвига атомов по кристаллической решетке,поэтому будет максимум прочности металла (теоретическая, недостижимая прочность). Путем восстановления из хлористого или бромистого железа в лабораторных условиях выращивают «усы» кристаллов железа длиной до 10 см и диаметром 0,5 … 1 мкм, имеющие относительно высокую прочность на растяжение (бb = 1200 …1300 кгс / мм²). Для сравнения, высокопрочная сталь имеет прочность всего 150 …200 кгс / мм², т.е. на порядок ниже, а прочность железных «усов» примерно в 100 раз выше, чем у обычного железа (минимум на кривой).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение прочности с увеличением плотности дислокаций выше их критического значения объясняется тем, что имеются не только параллельные, но и взаимопересекающиеся (объемные) дислокации. Они препятствуют взаимному перемещению металла и, как результат, приводят к увеличению прочности металла.

Все современные способы упрочнения металлов (легирование, закалка, прокатка, ковка, штамповка, волочение и т.д.) - это увеличение количества дефектов в металле. Наивысшая прочность, которую можно получить путем увеличения количества дефектов в металле, составляет около 1/3 от теоретически возможной (идеальной) прочности.

Кристаллизация металлов

При нагреве и охлаждении (рис. 5) аморфных тел (смола, стекло, пластмассы) при переходе из жидкого в твердое состояние качественных изменений не происходит. В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, имеют только меньшую степень перемещения. Из рис 5 видим, что температура плавления Тпл равняется температуре кристаллизации Ткр, а переход из одного состояния в другое (из твердого в жидкое - точка Тпл,и из жидкого в твердое- точка Ткр) происходит скачкообразно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

По другому ведут себя металлы (рис. 6). На участке 1 - 2 происходит нагрев металла; кристаллическая решетка сохраняется, но атомы увеличивают амплитуду колебаний за счет поглощенной тепловой энергии. На горизонтальном участке 2 - 3 также подводится тепло, но температура Тпл не повышается, т.к. подводимое тепло целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в неупорядоченное (жидкое) состояние. После разрушения последнего участка кристаллов, после точки 3 начинается повышение температуры жидкого металла по линии 3-4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При охлаждении (4-5) на горизонтальном участке 5-6 происходит кристаллизация, при которой выделяется тепло, поэтому процесс проходит при постоянной температуре Ткр. Кристаллизация металла происходит не при температуре плавления Тпл, а при некотором переохлаждении t, величина которая зависит от природы металла, наличия примесей и от скорости охлаждения.

Кристаллизация начинается с того, что при понижении температуры до значения Ткр начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации (зародышами). При дальнейшем уменьшении энергии металла происходит рост кристаллов и в то же время в жидкости возникают новые центры кристаллизации, т.е. процесс кристаллизации состоит из двух одновременно происходящих процессов:зарождение новых центров кристаллов и роста кристаллов из ранее образованных центров.

Скорости кристаллизации и числа центров в зависимости от t изменяются по закону нормального распределения (рис.7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние степени переохлаждения t на процесс кристаллизации хорошо видно в структуре слитка (рис. 8). Полученная в конверторе или в мартене, сталь (0,5…3 тн) заливается в изложницу. Большой перепад температур (свыше 1500 С) будет между расплавленным металлом и атмосферой по высоте и ширине слитка. В результате на поверхности слитка, т. е. там, где имеется наибольший перепад температур, будет мелкозернистая структура, а в центре слитка при минимальном перепаде температур возникнут при кристаллизации крупные, а между ними -столбчатые кристаллы.

Российские ученые и практики сделали много открытий в металловедении и технологии обработки металлов. Так, основы научной металлургии и геологии заложил еще Михаил Васильевич Ломоносов,об этом свидетельствует написанный им в 1763 году труд «Первые основания металлургии или рудных дел».

Дмитрий Иванович Менделеев систематизировал в периодической таблице химические элементы, что способствовало развитию многих вопросов металловедения (из известных в то время 63 химических элемента 50 были металлами). Родоначальником металлургии является и русский горный инженер Павел Петрович Аносов (1797…1851 г.), работающий в городе Златоусте на Урале. Он впервые применил световой микроскоп для изучения микроструктур металлов и нашел секрет булатной стали, заложил основы легирования стали (исследовал добавки золота, платины, хрома, марганца и других элементов к стали).

Дмитрий Константинович Чернов (1839-1921 г.) - основоположник теории и строения стального слитка. Работал на Обуховском заводе г. Санкт-Петербурга.

2. Требования к металлам

Для того чтобы оценить качество материалов и изготовленных из них деталей, поведение их в конкретных узлах, деталях и машинах в изменяющихся условиях эксплуатации, для прогнозирования использования, ремонта и технической эксплуатации машиностроительных и строительных конструкций необходимо знать их свойства.

Это люди давно поняли. И человек в своей практической деятельности сначала на глаз и на ощупь, с помощью простейшего инструмента, а далее с использованием сложных приборов и методик проверял качество предметов и продуктов труда.

Так, в 1722 г. царем Петром І был издан указ «О пробовании железа». Приборов в то время практически не было, поэтому испытания надо было проводить доступными и простыми средствами. Основным показателем было разрушение металла при изгибе и ударе. По этому указу железо сортировалось по трем сортам.

Первая проба. Пластину железа трижды огибали и разгибали вокруг столба, диаметром 6 вершков (1 вершок = 4,45 см), вкопанного в землю. Если нет излома и трещин, то железо является первосортным.

Вторая проба. Если железо не выдержало первой пробы (есть трещины или изломы) то проводились последующие испытания, естественно, нового образца, а не ранее разрушенного. Железные полосы били о наковальню сначала одним концом трижды, а потом другим концом - тоже трижды, и «которые выдержат, знака к перелому не будет, то ставить клеймо №2».

Третья проба. Если металл не выдержал этих двух испытаний, то ставят рядом с заводским клеймом клеймо №3.

М. В. Ломоносов впервые предложил испытывать материалы на трение и износ, и была изготовлена для этого специальная машина трения. В 1897 году были разработаны международные нормы по испытанию металлов. Основой расчета деталей до 20 30 годов ХЙХ- го столетия служили показатели статических испытаний: предел текучести, предел прочности и модуль упругости. В 20…30 годах ввели понятия усталостной прочности, предела усталости при знакопеременных нагрузках, при изгибе, кручении и растяжении - сжатии.

Качество металлов это комплексный показатель (рис.9). Нельзя по отдельному показателю оценить качество. Например, металл может быть очень твердым (хороший показатель), но хрупким и недолговечным (плохие показатели). Комплекс свойств металлов можно разделить на группы, дающие ответы на вопросы по их практическому использованию (табл. 1).

Таблица 1

Основные группы свойств металлов

Свойства металлов и сплавов	На какие вопросы отвечают
Химический состав	Что заложено?
Структура металла	Как заложено?
Физические характеристики (электропроводность, плотность, твердость теплопроводность, цвет, температуры плавления и кристаллизации)	Каков материал по физическим свойствам?
Механические свойства (пластичность, прочность, вязкость, упругость)	Каковы возможности использования материала?
Технологические свойства (литейные, ковкость, свариваемость, обработка резанием)	Как изготовить деталь?
Износостойкость, усталостная прочность. коррозийная стойкость	Какова долговечность детали, изготовленной из материала?

Свойства металлов определяются различными методами: физическими, химическими и технологическими.

Твердость характеризует сопротивляемость материалов пластическим деформациям. Чем выше твердость, тем больше прочность и меньше износ детали. Особенно это имеет большое значение для рабочих органов (лапа, лемех, нож) строительных и дорожных машин, работающих в условиях абразивного (песок, щебень) изнашивания.

Твердость определяется по вдавливанию шарика, алмазного конуса или алмазной пирамидки в металл. Значение твердости характеризуется диаметром отпечатка или глубиной внедрения индентора (закаленного шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды). Естественно, чем тверже материал, тем меньше будет его деформация, соответственно, меньше диаметр и глубина отпечатка). Чаще всего используются три основных метода определения твердости: по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

При определении твердости (рис. 10) по Бринеллю в испытываемую поверхность вдавливается стальной закаленный шарик диаметром D= 2,5; 5 или 10 мм при нагрузках в пределах 0,625…30 кН. Далее замеряется диаметр отпечатка.

Число твердости по Брюнеллю представляет собой отношение нагрузки Р (в кгс) к площади F (в мм²) поверхности отпечатка:

НВ = Р/ F =2Р / D[D --(D²-d²) ^1/2] кгс / мм^2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

По физической сущности твердость по Бринеллю является напряжением и выражает сопротивление пластической деформации.

Существует линейная связь между твердостью и прочностью материала:

для сталей и алюминиевых сплавов- в= 0,35 НВ;

для медных сплавов - в= 0,45 НВ.

Диаметр шарика D выбирается в зависимости от толщины h детали:

D = 2,5 мм - h 3 мм;

D = 5 мм - h = 3 …6 мм;

D = 10 мм - h > 6 мм.

Значение нагрузки P (в кгс) зависит не только от диаметра шарика D, но и от материала детали. Для более твердых материалов необходима большая нагрузка, поэтому в нижеприведенных формулах коэффициент для стали (30) больше, чем для более мягких материалов (10- для бронзы и латуни; 2.5- для олова):

P = 30 D² -- сталь, чугун;

P = 10 D² -- бронза, латунь;

P = 2,5 D² --олово, свинец и другие мягкие металлы.

Примеры обозначения твердости по Бринеллю: 185НВ, 200НВ, 86НВ. Чем больше цифра, тем больше твердость материала (200НВ 86НВ).

Твердость металлов по Виккерсу (рис. 11) определяется аналогично как и по Бринеллю, но вместо шарика используется алмазная 4-х гранная пирамида:

HV = P / F = 1,8544 P / d ^2, кгс /мм^2,

где F, d -- поверхность и диагональ отпечатка;

Р- нагрузка на пирамидку, кгс.

Диагональ d определяется с помощью микроскопа, вмонтированного непосредственно в прибор. Этот способ используется для небольших деталей и при научных исследованиях. Значения твердости материалов, определенных по Брюнеллю (НВ) и Виккерсу (HV) совпадают. Примеры обозначения вердости по Виккерсу: HV180, HV 295.

Размещено на http://www.allbest.ru/

т

При определении твердости по Роквеллу (рис. 12) в испытываемый металл вдавливается алмазный конус (угол конуса 120 ) или стальной закаленный шарик диаметром 1,6 мм под определенной нагрузкой: сначала предварительной Р = 10 кгс, далее основной - 60, 100 или 150 кгс. На приборе имеются три шкалы А, В и С для отчета соответствующей твердости HRА, HRВ и HRC. Число твердости по Роквеллу характеризует глубину внедрения индентора (шарика или конуса) под определенной нагрузкой (60, 100 или 150 кгс). Твердость HRC, HRА, HRВ определяется по формулам, соответствующим режимам ее определения (вид индентора и величина нагрузки):

HRC=100 -e (алмазный конус, Р= 150 кгс);

HRА=100 -e (алмазный конус, Р= 60 кгс);

HRВ=130 -e (шарик, Р= 100 кгс),

в которых e = 0,002 h2 0,002 (h1-h0).

Следовательно, твердость по Роквеллу это безразмерная величина, единица которой соответствует глубине перемещения индентора на 0,002 мм. Примеры обозначения твердости по Роквеллу: 47HRC, 23HRC, 30HRC, 80HRA, 30HRB.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В обозначении твердости показаны ее значение и режим определения (алмазный конус или шарик; нагрузка: 60,100. или 150 кгс). Для сравнения твердость шейки коленчатого вала дизельного двигателя (47…52HRC) значительно выше твердости поршневого пальца (30…32HRC).

Испытание образцов (рис. 13) на растяжение (рис.14) проводится на разрывных машинах при плавно возрастающей растягивающей нагрузке. Образцы изготовляются круглого или квадратного сечения. Величину силы, действующей в поперечном сечении образца, пересчитывают в значение напряжения, выражаемое в ньютонах (или килограммах) на квадратный миллиметр. При малых нагрузках (соответственно и малых напряжениях) остаточная деформация не возникает и образец после снятия нагрузки принимает начальную длину, т.е. он ведет себя упруго. В области 0…А упругой деформации последняя прямо пропорциональна напряжению, т. е. если напряжение возрастает вдвое, то и упругая деформация возрастает вдвое. Начальный участок диаграммы представляет собой прямую линию. Крутизна этого участка (отношение напряжения к деформации) является характеристикой металла - модулем упругости Юнга (модулем Е).

Размещено на http://www.allbest.ru/

На участке (Б…В) текучести образец удлиняется при неизменной нагрузке Р. При снятии нагрузки в этом интервале (Б…В) образец не возвращается к начальной длине, а становится длиннее - в соответствии с той долей, какую составила пластическая деформация от общей. На участке Б…В происходит упрочнение материала и, как следствие этого, после точки В происходит увеличение длины образца с ростом растягивающей нагрузки. Далее нагрузка растет до максимальной Рв, после которой происходит местное сужение образца, образуется «шейка». Дальше размер шейки увеличивается, растягивающая нагрузка уменьшается, но и сечение тоже, и в точке К происходит разрыв образца.

Кривая растяжения позволяет определить несколько важнейших характеристик металла. В первую очередь это предел прочности на разрыв (растяжение) в, т.е. максимальное напряжение, которое выдерживает образец без образования шейки, относительное удлинение .

Условным пределом текучести 0,2 называется напряжение, при котором удлинение образца составляет 0,2% расчетной длины.

Предел прочности при растяжении определяется из соотношения:

в = Рв / Fo, кгс / мм^2,

где Fo- начальная площадь поперечного сечения образца, мм²,

Рв -- нагрузка предела прочности при растяжении, кгс.

Истинным сопротивлением разрыва z называют напряжение, соответствующее отношению нагрузки в момент разрыва к площади сечения образца в месте разрыва:

z = Pz / Fk,

где Fk -- конечная площадь поперечного сечения образца.

Пластичность -- это изменение размеров образца без нарушения сплошности материала.

Относительное удлинение находится по формуле (в%):

= 100 (Lк - L0) / L0,

где L0, Lк -- длина образца до и после разрыва.

Относительное сужение (в%) представляет собой отношение:

= 100 (Fo - Fk) / Fo.

Из первоначального участка кривой находится модуль упругости материала Е. По закону Гука

= P / Fo = E L / L0_.

Значения модуля упругости можно определить геометрически как тангенс угла наклона начального участка диаграммы растяжения:

Е = tg

Во многих случаях нас интересует не просто абсолютные значения прочности, а удельная прочность, т.е. отношение прочности к плотности (удельному весу) материала (табл. 2).

Таблица 2

Сравнительные характеристики прочности и жесткости различных материалов

Материал	Прочность, в, кгс / мм2	Удельная прочность, в/ 105	Удельная жесткость, ( / ) 1/3
Конструкционная сталь	450…1100	6…15	-
Легированная сталь	1100…1400	15…19	3,3…3,5
Высокопрочная сталь	1800…2000	22…25	-
Алюминиевый сплав	420…600	16…21	6,8…6,9
Титановые сплавы	1200…1400	26…40	4,8…5,1
Стеклопластики	700	38…50	7…7,2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Способность противостоять металла ударным нагрузкам определяется при испытаниях на удар (рис. 15). Для этого изготовляется специальный образец. В середине его делается надрез, необходимый для того, чтобы разрушение происходило в самом слабом месте, т.е. в месте надреза, установленном напротив ударного устройства маятникового копра.

Работа Ан на разрушение образца определяется как разность потенциальной энергии груза перед испытанием (Р Н) и оставшейся потециальной энергией (Р h) после разрушения образца:

Ан = Р (Н - h).

Ударная вязкость _н представляет собой удельную работу на разрушение единицы площади образца:

_н = Ан / Fo,

где Fo - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Динамические испытания позволяют выявить склонность металлов к хрупкому разрушению (рис. 16). По количеству волокна в изломе (визуально по матовой волокнистой составляющей) оценивают вид излома: вязкий излом (90% волокон), хрупкий излом (только 10% волокон) и смешанный излом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

За порог хладноломкости (очень важная характеристика металла, особенно для природно-климатических условий Тюменской области) принимают температуру, при которой имеется около 50% волокна, что примерно соответствует значению Ѕ_н. Для ответственных деталей критической температурой хладноломкости считают температуру, при которой будет 90% волокон.

Значение ударной вязкости _н не является постоянной величиной, а сильно зависит от его структуры, условий испытания, наличия концентраторов напряжений и др.

В реальных условиях эксплуатации нагрузки на некоторые детали меняются как по величине, так и по направлению, вследствие этого возникают микротрещины в металле, далее они развиваются и при относительно небольших нагрузках происходит разрушение металла (поломка детали). Коленчатые валы, шатуны, шестерни, рессоры, пружины и многие другие детали выходят из строя чаще всего по этим причинам.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 17 показан консольный вал, при вращении которого на участках галтели нагрузка за один оборот будет изменяться от максимальной до нуля. В результате многократно повторяющихся циклов нагружения в самом опасном месте (галтели) сначала образуются отдельные микротрещины, далее они увеличиваются по размеру и сливаются друг с другом, образуя большего размера трещины, и при относительно небольших нагрузках (по сравнению с начальными условиями работы) происходит разрушение вала по галтели.

На рис. 18. показана кривая усталости. При испытаниях определяют число циклов нагружения до разрушения образца металла при различных напряжениях. Напряжение _-1 называется пределом усталости, т.е. это значение такого напряжения при котором нет усталостного разрушения. Обычно испытания не проводят до появления этого горизонтального участка, а завершают для стальных образцов при 5 10⁶ циклов и для образцов из цветных сплавов при большем (20 10⁶) числе циклов.

Пределом усталости в этом случае называют предельное напряжение при котором образец не разрушается при этом установленном количестве циклов.

Исследование структуры металлов проводят несколькими способами. Рентгеноструктурным методом исследуют внутреннее строение кристаллической решетки (фазовый состав, величину зерен и т. д). При просвечивании ультразвуком или рентгеновскими лучами определяют качество литья и сварки по наличию трещин, шлаковых включений и раковин.

Макроструктура металла (величина зерен, направление волокон в деформированных слоях металла, наличие усадочных и газовых трещин, характер излома детали) определяется невооруженным.глазом или при увеличении (лупа, микроскоп) до 30 раз. Поверхность сначала шлифуют наждачной бумагой, а потом проводят глубокое травление химическими растворами.

При микроскопическом исследовании используют микроскопы с увеличением в 50 …2000 раз. Шлифы металла готовятся в виде цилиндриков (диаметром и высотой по 10… 15 мм), или в виде кубиков 1010 мм. Металл шлифуют, полируют и травят в слабых растворах кислот. На поверхности металла из - за неодинаковой травимости структурных составляющих, зерен и их границ появляется микрорельеф. Создается сочетание света и тени. Более протравленная структура будет более темной в микроскопе по сравнению с менее протравленной.

Технологические испытания - это простейшие виды испытания материалов на пластичность и разрушение, на возможность ковки, гибки, сварки и др.

Так, испытанием на выдавливание определяется способность листового материала подвергаться холодной штамповке. Пуансоном (шариком) выдавливаются лунки до появления первой трещины. Глубина лунки до разрушения характеризует пластичность материала.

Испытанием на изгиб листового материала в холодном и горячем состоянии определяется его способность принимать заданную форму. Испытанием на изгиб оценивается качество сварных швов. Характеристикой прочности является угол прогиба до разрушения сварного шва. Проба на двойной кровельный замок. проводится для листового металла толщиной менее 0,8 мм. Оценивается угол загиба, число загибов и разгибов.

Пробой на перегиб (повторный загиб и разгиб) оценивается качество проволоки. Пробы на изгиб и расплющивание проводятся для труб диаметром менее 115 мм; отверстие засыпается сухим песком, далее труба гнется на 90 градусов вокруг оправки.

Испытанием на осадку в холодном состоянии проверяются материалы для изготовления.болтов и заклеп.

Проба навиванием проволоки на оправку проводится для определения возможности получения заданного числа витков.

3. Производство чугуна и стали

Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец,бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун). В чистом виде металлы используются редко, а в основном - в виде сплавов.

Чугун и сталь это сплавы железа с углеродом, в которых неизбежно наличие примесей других химических элементов:

Сталь: Fe + С (< 2%) + примеси (относительно немного);

Чугун: Fe + С (> 2%) + примеси (больше, чем у стали).

Что общего и в чем различия (табл. 3) между этими сплавами?

Основа одна -- железо. Главное отличие заключается в том, что чугун имеет повышенное содержание углерода (свыше 2% в чугунах и до 2% в сталях) Граница между этими сплавами проходит по содержанию углерода в сплаве.Так же больше во многих чугунах марганца, серы, фосфора и кремния.

Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же более хрупкие, но обладают хорошими литейными свойствами. Сталь является производной от чугуна., т.к. производство её в основном двух стадийное: из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.

Таблица 3

Сравнительные показатели чугунов и сталей

№	Наименование показателей	Чугун	Сталь
1	Содержание углерода,%	> 2%	< 2%
2	Содержание S, P, Mn, Si	Много *	меньше
3	Структура	ледобурит,….	аустенит,феррит,…
4	Хрупкость	более хрупкий *
5	Твердость		более твердая *
6	Прочность		выше *
7	Ковкость		выше *
8	Литейные свойства	выше
9	Изготовляемые детали	станины, корпуса,	валы, шестерни,…
10	Технология изготовления	литье и механ. обраб.	прокатка и мех. обр.

* - чаще всего.

Железо в руде находится в виде окислов, оксидов, карбонатов и прочих химических соединений. Кроме того, в руде много (до 30… 60%) пустой породы: кварцит (песок), глинистые вещества и др.

Основные железные руды:

1. Магнитный железняк Fe O -- оксид (до 65% железа). (Соколовское и Сарбайское месторождения, Курская магнитная аномалия)

2. Красный железняк Fe O -- оксид (до 60% железа). (Криворожское месторождение, Курская магнитная аномалия)

3. Бурый железняк n Fe O х mH 2 O -- карбонат (до 55% железа). (Лисаковское месторждение)

4. Шпатовый железняк Fe C O 3 -- углекислая соль (до 40% железа). (Криворожское месторождение)

Почти половина разведанных мировых запасов железа находится на территории государств СНГ. Добывалось и производилось чугуна и стали в бывшем СССР больше всех в мире. Причинами этого «достижения» были: несовершенство конструкций и низкая надежность машин и оборудования; низкое качество выплавляемых чугунов и сталей; огромные территории; большая протяженность дорог и коммуникаций; низкая эффективность сельскохозяйственного производства,,строительных и дорожных работ. Всё это требовало намного больше металла, чем в других странах. И, кроме того,зарытого металла в земле на стройках, брошенного на свалках, в лесах, болотах и на полях было больше всех в мире.

В историческом плане производство черных металлов развивалось по следующим этапам:

Сыродутный процесс (1500 лет до н. э.). Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего до 0,5… 0,6 кг железа. В кузнечных горнах железо восстанавливалось из руды углём при продувке воздухом (рис. 19) с помощью кузнечных мехов.

Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода

C + O₂ CO,

которая и восстанавливала чистое железо из руды

CO + Fe Fe + CO₂.

В результате длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий. Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и хорошая руда), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре (до 1100…1350 С),металл не плавился, т. е. восстановление металла шло в твердой фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо. Просуществовал этот способ до XIV века, а в несколько усовершенствованном виде до начала XX века, но был постепенно вытеснен кричным переделом.

1. Отсюда следует, что исторически самым первым сварщиком металлов был кузнец, а самый первый способ сварки - это кузнечная сварка.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 19. Схема восстановления железа из руды при сыродутном процессе

2. С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией процесса возрастало содержание углерода в железе, температура плавления этого сплава (чугуна) оказывалась ниже, чем у более чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со шлаком.

В XIV век в Европе был разработан двухступенчатый способ получения железа (маленькая домна, далее кричной процесс). Производительность увеличилась до 40 …50 кг/час железа. Использовалось водяное колесо для подачи воздуха. Кричный передел - это процесс рафинирования чугуна (снижение количества C, Si, Mn) с целью получения из чугуна кричного (сварочного) железа.

3. В конце XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе. При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом веке, выплавляли чугун, а далее получали сталь процессом пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи. При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей - криц. В кузнице или прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.

4. В конце XIX века -- почти одновременно внедряются три новых процесса получения стали: бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает резко (до 6 тн/час).

В середине XX века: внедряются кислородное дутье, автоматизация процесса и непрерывная разливка стали.

При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось (технический уровень того времени не давал возможность обеспечить температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из -за резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём имеющее небольшое количество примесей, поэтому, весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали: обогащение руд (получение окатышей, содержащих 90… 95% железа) и выплавка стали в электропечи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современное производство чугуна и сталей выполняется по следующей схеме (рис. 20).

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет.

Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда,флюсы и кокс, а снизу подается воздух.. Кокс служит для нагревания и расплавления руды, а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора. Флюсы (известняки, кремнеземы,..) необходимы для получения шлаков При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа. Восстановление железа происходит от высших окислов к низшим и, в конечном итоге, к металлу:

Fe₂O₃ Fe₃O₄ FeO Fe

окисью углерода СО и твердым углеродом С. Восстановление марганца, кремния и других элементов выполняется также коксом.

Продуктами доменного производства являются:

чугун передельный, содержащий 4…4,5%С, 0,6…0,8%Si, 0,25…1,0% Mn, до 0,3%S и до 0,05%Р;

чугун литейный, содержащий Si около 3%;

ферросплавы: ферросилиций (9 …13% Si) и ферромарганец (70 …75% Mn), предназначенные для раскисления и легирования сталей;

шлаки, используемые для производства шлаковаты, шлакоблоков, цемента.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем количество углерода, марганца, серы и фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Конвертор (рис. 21) --это сосуд грушевидной формы, футированный внутри огнеупорным кирпичом и подвешенный на двух кронштейнах.

Жидкий чугун (1250…1400С), полученный в домне, с помощью ковша заливают в конвертор, Для получения шлака добавляют в конвертор железную руду и известь, боксит и плавиковый шпат. В конвертор снизу подается воздух, или сверху - кислород. Процесс получения стали проходит быстро, при этом отчетливо видны три периода (рис. 22).

В первые 4 …5 минут процесса окисляется железо

Fe + O₂ FeO.



Далее, образовавшаяся окись железа окисляет кремний и марганец:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Si + FeO SiO₂ + Fe,

Mn+ FeO MnO₂ + Fe.

Кремний и марганец окисляются также и кислородом:

Si + O₂ SiO_2,

Mn + O₂ MnO_2.

При окислении углерода, кремния, марганца и др. примесей выделяется большое количество тепла, температура расплава увеличивается, а окислы образуют шлак.

После того, как выгорят почти полностью Si и Mn наступает второй период бурного выгорания углерода

C + FeO Fe + CO,

характерный тем, что пока окись углерода. горит

CO + O₂ CO2

над горловиной. будет яркое пламя.

Третий период наступает, когда над горловиной появляется бурый дым- признак того, что начало окисляться железо и процесс получения стали завершен.

Кислород вдувается в конвертор сверху (давление до 1,2 МПа) на зеркало жидкого металла. Температура при продувке кислородом выше, чем при продувке воздухом, поэтому кроме расплавленного чугуна можно использовать до 30% железного скрапа и железной руды. При продувке кислородом в сплаве уменьшается содержание азота, время продувки сокращается по сравнению с продувкой воздухом в 2 раза и увеличивается производительность конвертора.

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное., но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800С. Газ и воздух предварительно подогреваются (до 1200…1250С) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора: один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное - алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же, как и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь, содержащую хром, вольфрам и др. Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и оксидов шихты; восстановительный -- раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и плавикового шпата.

Индукционная плавка применяется обычно для переплавки сталей и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях вакуума или специальной регулируемой атмосферы.

4. Разливка стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из печи сталь выпускают в сталеразливочный ковш (5 …250 тн). В основном применяются два традиционных способа разливки (рис.23) в изложницы (чугунные формы): сверху и сифонная снизу. Сверху -- это для крупных слитков, снизу -- для мелких.

Очень эффективна непрерывная разливка стали (рис. 24). Расплавленная сталь через регулируемый стакан непрерывно поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор. Дальнейшее охлаждение проводится струями воды, после этого выполняется прокатка слитка валками. С помощью кислородного резака отрезается необходимой длины слиток. Слитки изготовляются прямоугольного (150500,300 200,…), квадратного (150150, 400400,…) или круглого сечения. В слитке непрерывной разливки нет усадочной раковины и более равномерная структура металла.

Стали делятся на: кипящие, спокойные и полуспокойные. Кипящая сталь не полностью раскислена в печи и раскисляется в изложнице. При разливке кипящих сталей выделяется окись углерода СО, поэтому создается внешнее впечатление, что сталь как бы «кипит» в изложнице

Размещено на http://www.allbest.ru/

FeO + C Fe + CO

Окись углерода СО при выходе из стали способствует удалению N, H и поэтому создается впечатление «кипящей» стали. В стали при затвердении слитка образуется не усадочная раковина, а большое количество газовых пузырей, устраняемых прокаткой.

Спокойные стали получаются при полном раскислении в печи. В верхней части слитка при разливе спокойной стали будет усадочная раковина, а у кипящих сталей ее нет.

Полуспокойная сталь получается при недостаточном количестве ферросилиция или алюминия.

Качеством исходных материалов (чугуна, шлаков, металлолома)

Совершенством технологического процесса плавки

Технологической дисциплиной плавки

Технологией разливки

При разливке может проводиться вакуумная обработка в ковше или электропечи в течение 10…15 минут. Газы всплывают на поверхность металла, захватывая неметаллические шлаковые и другие включения, поэтому металл имеет высокую чистоту и, соответственно, высокое качество.

Для повышения качества металла применяются следующие виды переплава: электрошлаковый, вакуумно-дуговой, плазменно-дуговой и электронно-лучевой.

5. Диаграмма состояния системы железо-углерод

Металлические сплавы -- это сложные по составу вещества на основе металлов, сохраняющие их основные свойства: высокую электро- и теплопроводность, литейные свойства, ковкость и др. Сплав может быть в жидком и твердом состоянии. В жидком состоянии существует только одна жидкая фаза, а в твердом у сплавов может быть несколько фаз в виде твердых растворов, химических соединений и механических смесей.

Твердые растворы состоят из двух и более компонентов, в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке основного компонента, замещая его атомы, либо внедрясь в кристаллическую решетку.

Химические соединения могут быть в виде металлов с неметаллами (Fe₃C) или металлов с металлами (CuAl₂, CuNi). Они обладают конкретными физико-механическими свойствами. Например, цементит (Fe₃C) имеет высокую твердость, повышенную хрупкость и низкую электропроводность.

металл сплав чугун сталь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механические смеси состоят из нескольких компонентов, которые при затвердевании (кристаллизации) не взаимодействуют друг с другом. Каждая из фаз сохраняет свою кристаллическую решетку. Например, у сталей могут одновременно быть смеси феррита и аустенита, или перлита и цементита. Диаграммы состояния строятся на основе кривых нагрева и охлаждения. Рассмотрим сплав (рис. 25) медь- никель (Cu -- Ni). Атомы Cu и Ni могут соединяться в любых пропорциях (0…100%), образуя твердый раствор, при этом атомы Ni могут замещать в кристаллической решетке Cu все атомы. По горизонтальной оси откладывается содержание компонентов в твердом растворе, а по вертикальной- температура. Точка 1083 C показывает температуру плавления меди, а точка 1452 C -никеля. Нижняя линия (солидус) -это граница твердого раствора. Ниже ее оба металла и смесь находятся в твердом состоянии (в кристаллическом виде). Выше верхней линии (ликвидуса) располагается область жидкого раствора обоих этих металлов и сплавов. В «чечевице», очерченной нижней и верхней линиями, лежит область смеси кристаллов и более тугоплавкового металла с капельками более легкоплавкого.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В правой части рисунка 25 находятся кривые нагрева и охлаждения смеси (в данном случае представлена 50% смесь) этих металлов. На основании таких кривых, полученных для различных смесей в интервале 0…100% и построена диаграмма состояний. На кривых нагрева и охлаждения видны горизонтальные линии: при разрушении кристаллов тепло подводится, но повышения температуры нет, т.к. это тепло расходуется на разрушение кристаллов; при кристаллизации, наоборот, выделяется тепло, поэтому температура сплава по времени не снижается.

Для компонентов (пример для смеси свинец -сурьма), неограниченно растворимых в жидком состоянии и совершенно нерастворимых в твердом состоянии, с образованием механической смеси (эвтектики), диаграмма представлена на рис. 26.

На первом участке диаграммы ниже линии температур 327…243C кристаллизуется свинец, а далее на участке температур 243…631C -- сурьма. В точке С кристаллизуется свинец и сурьма, и жидкость без промежуточных фаз переходит в твердое состояние. Эта смесь называется эвтектикой. До нее будет доэвтектический сплав (Рb + Э), а после заэвтектический сплав (Sb + Э). В точке С самая низкая температура плавления (243C) сплава.

Имеется связь характера диаграмм состояний со свойствами (электропроводность, твердость, прочность и т. д.). Так для первой группы сплавов - твердых растворов, с ростом концентрации компонента (например, Ni на рис. 25) механические свойства (твердость., прочность) увеличиваются, а для второй группы (рис. 26) имеется точка экстремума, т. е. сначала механические характеристики повышаются, а далее снижаются.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурные составляющие железо - углеродистых сплавов представлены в виде твердых растворов (рис. 27) (феррит и аустенит), химического соединения (цементит) и механических смесей (перлит, ледобурит).

Феррит это твердый раствор внедрение углерода в -- железо. Он очень мягкий и пластичный, хорошо проводит тепло и электричество, сильно магнитен. Углерода в нем очень мало (около 0,002%). В микроструктурах металла цементит имеет белый цвет. Углерод замещает центральный атом объемно - центрированной кубической решетки ( -- железо) или вакансии кристаллической решетки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фазовые превращения (рис. 28) происходят по мере изменения температуры. При нагреве до 768С -- железо теряет свои магнитные свойства, но кристаллическая решетка не меняется.

При 898С - эта решетка превращается в гранецентрированную кубическую решетку, называемую -- железом. Аустенит это твердый раствор внедрения углерода в y -железо. Он не магнитен, сравнительно мягкий, углерода содержится в нем максимально до 2%.

При 1401С -- железо превращается в -- железо с объемно -- центрированной решеткой, существующей до температуры плавления железа (1539С).

Цементит -- это химическое соединение (карбид железа Fe₃C), содержащее 6,67% углерода и имеющее высокую твердость и хрупкость, плохо проводящее электрический ток и тепло. Цементная сетка является светлой на микроструктурах сплава. Цементит является неустойчивым химическим соединением и при высоких температурах происходит его распад на железо и углерод:

Fe₃ C Fe + C.



Ледебурит--это механическая смесь (эвтектика), состоящая из аустенита и цементита и содержащая 4,3% углерода, образуется при температурах ниже 1147С, имеет высокую твердость и хрупкость.

Перлит - механическая смесь (эвтектоид), состоящая из тонких пластинок или зерен цементита и феррита, образуется в результате распада аустенита при температурах ниже 727С. Углерода в перлите 0,8%.

На основе кривых (рис. 28) охлаждения и нагрева сплавов Fe-C строится диаграмма состояний (рис.29) системы железо-углерод. На ней имеются линии: ликвидуса - АСД; солидуса - AECF. Выше линии ликвидуса металл находится в жидком состоянии, а ниже линии солидуса- в твердом (кристаллическом) состоянии. Остальные линии отражают превращения в сплавах, происходящие после затвердевания. Ниже линии солидуса, при дальнейшем снижении температуры происходят структурные изменения, т.е. перекристаллизация уже в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

Размещено на http://www.allbest.ru/

В точке S аустенит распадается на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цемента -- перлит. Сплав в точке S -- эвтектоидный, при содержании углерода меньше 0,8% доэвтектоидный, а более 0,8% -- заэвтектоидный. После 0,8% происходит распад аустенита с выпаданием из него вторичного цементита.

Точка А -это температура плавления чистого железа Fe, а точка Д -- температура плавления цементита Fe₃C. Точка Е (2,14% С) делит сплав на две группы: стали и чугуны. Левее точки Е будут стали, а правее- чугуны.

Температура плавления стали с увеличением количества углерода С в ней снижается, а чугунов после 4,3% -- увеличивается.

Сразу после затвердевания структура сталей состоит из аустенита, а чугунов из смесей: аустенит + ледебурит; цементит + ледебурит.

При охлаждении доэвтектоидных сталей (С < 0,8%, т.е. левее точки S) аустенит распадается, из него выделяется феррит.

В эвтектоидной точке С будет механическая смесь кристаллов аустенита и цементита -- ледебурит. Правее точки С выделяется цементит. Сплавы чугунов левее точки С -- доэвтектоидные, правее -- заэвтектоидные.

Белые чугуны (белый оттенок на изломе). состоят из ледебурита и цементита Они твердые, хрупкие, трудно механически обрабатываются. Используются для передела в сталь.

Если углерод в сплаве находится в свободном состоянии, т.е. в виде графита, то это серые чугуны.

Диаграмма железо -- углерод имеет большое практическое значение для инженеров. По ней можно определить температуру плавления и затвердевания сталей и чугунов, интервалы температур при обработке сталей давлением (ковка, штамповка,…) и термической обработке (закалка, отпуск, т.е..она нужна металлургу, кузнецу и термисту.

6. Влияние химических элементов на свойства стали и чугуна

Стали. С увеличением содержания углерода (рис. 30) повышаются твердость и прочность, снижается пластичность, улучшается обработка резанием, повышается закаливаемость, но ухудшается свариваемость стали. Твердость и прочность тем выше, чем выше дисперсность (более мелкие кристаллы) феррита и цементита.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вредными примесями для стали являются S, P, O, H, N. Сера S ухудшает пластичность и вязкость; сталь становится хрупкой при высоких температурах (красноломкость), поэтому серы должно быть в сталях мене 0,03%. При наличии серы в сплаве по краям зерен создается эвтектика FeS, которая при температурах выше 985С плавится, поэтому по границам зерен образуются трещины и металл разрушается.

Наличие фосфора Р в стали приводит к хладноломкости (возникают трещины уже при комнатной температуре и, особенно, интенсивно при отрицательных температурах), ухудшается пластичность и вязкость сплава. В высококачественных сталях должно быть фосфора менее 0,03%.

Марганец Mn раскисляет сталь и нейтрализует вредное влияние серы S,. повышает прочность и износостойкость стали.

Кремний Si повышает упругость и прочность стали, увеличивает предел текучести, что снижает возможности холодной штамповки и высадки металла.

Чугуны. Микроструктура чугунов (табл. 14) зависит от скорости охлаждения металла: при быстром охлаждении будет белый чугун (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита и ледебурита), а при медленном охлаждении будет серый чугун (углерод находится в виде графита).

Таблица 4

Марки и механические характеристики чугунов

Группы чугунов	Марки чугунов	b, МПа	НВ	,%
Серые	СЧ 10	100	120…150
	СЧ 15	150	130…241
	СЧ 35	350	179…290
Высокопрочные	ВЧ 35	350	140…170	22
	ВЧ 40	400	140…202	15
	ВЧ 100	1000	270…360	2
Ковкие	КЧ 30-6	300	163	6
	КЧ 33-8	330	163	8
	КЧ 37-12	370	163	12
	…….	…….		……
	КЧ 63-2	630	269	2

Кремний Si способствует графитизации чугуна, и улучшает его литейные свойства. В серых чугунах содержится 0,8 …4,5% Si.

Марганец Mn способствует отбеливанию чугуна, но содержание Mn до 1,2% полезно, т.к. увеличиваются твердость и прочность чугуна.

Фосфор Р повышает жидкотекучесть чугуна, поэтому допустимо его содержание до 0,4%, но в ответственных чугунных отливках содержится фосфора менее 0,15%, т.к. с ростом содержания его увеличивается хрупкость чугуна.

Сера S затрудняет графитизацию, увеличивает хрупкость и ухудшает жидкотекучесть чугуна, поэтому серы в чугунах должно быть не более 0,1%.

Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 4.).

В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных- шаровидную, а в ковких- хлопьевидную.

Примеры обозначения чугунов: СЧ25 ГОСТ 1412-85, ВЧ 50 ГОСТ 7293-85.

7. Углеродистые и легированные стали

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистые стали представляют собой сплавы железа Fe с углеродом C при неизбежном наличии примесей других химических элементов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Легированные стали это тоже сплавы железа Fe с углеродом С, но с специально добавленными легирующими элементами (хром, марганец, кремний, титан, ванадий и другие химические элементы.), придающими стали какие-то необходимые свойства. По назначению (рис.31) углеродистые стали делятся на конструкционные и инструментальные.

По способу производства могут быть стали: мартеновские, конверторные, бессемеровские, томасовские, кислородно - конверторные и электростали.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструкционные стали различаются по качеству (рис. 32):